CN103972771A - 一种循环式激光器 - Google Patents

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周进
何刚
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Abstract

本发明一种循环式激光器，由曲柄、连杆、激光器活动部件和激光器固定部件组成；所述激光器活动部件由左活塞，右活塞固定在活塞壁上组成，由此形成一个封闭的空腔结构；右活塞和连杆采用活动连接，将曲柄的圆周运动转化为激光器活动部件的直线运动；所述激光器固定部件由阵列喷管和四块腔镜共同组成，阵列喷管安装在激光器活动部件腔体内，四个腔镜、两两相对的安装在激光器活动部件的活塞壁外，作用是在阵列喷管的左右两侧分别提取激光；激光器活动部件腔体内的气体流动方向与两路光路相垂直。本发明实现气动激光器工质气体的循环使用，进而实现一种具有实用性的循环式气动激光器。

Description

一种循环式激光器
技术领域
本发明涉及一种循环式激光器，进一步是指可以直接通过活塞运动将机械能转化为激光能的循环式气动激光器。
背景技术
气动激光器是最早实现的高功率激光器，其基本原理是通过快速膨胀喷管实现气流的快速降温，降温过程中气体分子发生粒子数反转，形成激光增益介质，再由光腔的腔镜将气流的内能中的非平衡振动能以激光能的形式提取出来。图1是典型的气动激光器示意图。
激光器能量源1通过燃烧或电激励的方式在热源室2中产生高温高压的氮气、二氧化碳、水(或氦)气体，气体通过阵列喷管3的快速膨胀，实现气流的快速降温，温度骤降过程二氧化碳分子发生差分弛豫，从而形成了大量粒子数反转的二氧化碳激光增益介质。增益介质在光腔6中向下游扩压器5方向流动，介质中存贮的非平衡振动能在光腔6气流两侧的腔镜4作用下转化为激光能输出。出光后的废气通过扩压器5进行减速，压力和温度得到一定程度的恢复，最后通过扩压器5排入大气。
气动二氧化碳激光器发展至今，虽然最高功率超过几十万瓦，但其缺点是效率非常低，热光转化效率仅有约1％。气动二氧化碳激光器效率低下的重要原因是激光器处于开口运行的情况，即气流在光腔4中完成出光后，作为废气直接排入大气。由于出光提取的能量只占气流总内能很小一部分，因此热源室2产生的气流内能大部分都被浪费。
为了提高循环效率，研究人员提出了循环式气动二氧化碳激光器的概念，即增益介质气体可以循环使用，从而大大提高整机效率。图2是《气动激光技术》上给出的典型循环式气动激光器方案。
贮气室11中高温高压的气体通过阵列喷管12快速膨胀进入光腔13，在腔镜14的作用下提取出激光，出光后的废气通过扩压器9收集，气流扩压过程中，总压虽然有一定程度的回复，但仍然达不到贮气室11所需的压力水平，因此，扩压器9中收集到一定压力和温度的气体进入贮气室11前，必须通过压气机9进行重新增压，考虑到压气机中的气流是绝热压缩，压力压到贮气室总压后，气体温度必然会超过贮气室所需的总温，因此，重新压缩后的气流进入贮气室11之前，必须通过冷却器10进行冷却，最终重新回到贮气室11中的气流初始高温高压状态。
《气动激光器技术》指出，这种循环式气动激光器从功转变为激光辐射的效率可以接近热力学极限1，即循环式气动激光器的热光转化效率的热力学极限可以达到卡诺机的效率，但是图2方案的实现过程技术难度非常大，系统复杂。
如何通过巧妙的方案设计，以尽量简单可靠的方式实现气流的循环利用和贮气室高温高压气体状态复现，成为实现循环式气动激光器的难点。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，将机械传动机构的周期往复运动和气动激光器相结合，实现气动激光器工质气体的循环使用，进而实现一种具有实用性的循环式气动激光器，本发明结构简单、实用性强、转化效率高。
本发明一种循环式激光器，由曲柄、连杆、激光器活动部件和激光器固定部件组成；所述激光器活动部件由左活塞，右活塞固定在活塞壁上组成，由此形成一个封闭的空腔结构；右活塞和连杆采用活动连接，将曲柄的圆周运动转化为激光器活动部件的直线运动；所述激光器固定部件由阵列喷管和四块腔镜共同组成，阵列喷管安装在激光器活动部件腔体内，四个腔镜两两相对的安装在激光器活动部件的活塞壁外，在阵列喷管的左右两侧分别提取激光；激光器活动部件腔体内的气体流动方向与两路光路相垂直。
本发明可以收到如下技术效果：
1、采用曲柄连杆机构和气动二氧化碳激光器的阵列喷管相结合，形成了实用型的循环式气动二氧化碳激光器，完成从机械轴功到激光能的转化，且功光转化效率远高于现有开式循环的气动二氧化碳激光器。
2、本发明出光频率具有方便可调的特点，出光频率可以通过曲柄的转速进行方便的调节。
3、结构具有很好的可放大性。随着阵列喷管数量增加，激光器功率可以得到方便的放大。
4、系统具有结构简单的特点，采用技术成熟的内燃机或电动机等轴功输出装置，结合激光器固定部件和激光器活动部件，就可以方便的实现高效率的机械功-光转化。
附图说明
图1：典型的气动激光器原理图；
图2：《气动激光技术》中的循环式气动激光器方案设想图；
图3：本发明循环式气动激光器方案图；
图4：本发明中激光器活动部件和固定部件结构图；
图4a：本发明中激光器活动部件结构图；
图4b：本发明中激光器固定部件结构图；
图5：本发明循环式气动激光器一个周期工作过程示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
图3是本发明的方案图。图4分别给出了激光器活动部件25和激光器固定部件26的结构图。从图3中可见，本发明提出的循环式气动激光器由曲柄24、连杆23、激光器活动部件25、激光器固定部件26组成。曲柄24中心和轴功输出装置(如内燃机或电动机等)连接，曲柄24绕轴心做一定转速的圆周运动，进而带动连杆23的一端进行圆周运动，连杆23的另一端和右活塞16相铰接。右活塞16、左活塞15以及活塞壁17共同组成了激光器活动部件25，激光器活动部件25作为整体在连杆23的带动下进行往复直线运动。直线往复运动的周期由曲柄2的运动周期，即转速所决定，直线往复运动的幅值(活塞运动到最左端和最右端之间的距离)由曲柄24的长度所决定。
在激光器活动部件25往复运动的同时，激光器固定部件26保持不动，激光器固定部件26由阵列喷管22以及四个腔镜18、19、20、21所组成，阵列喷管22安装在激光器活动部件25腔体内，四个腔镜18、19、20、21两两相对的安装在激光器活动部件25的活塞壁17外，在阵列喷管22的左右两侧分别提取激光；激光器活动部件25腔体内的气体流动方向与两路光路相垂直，实现激光提取。阵列喷管数量越多，激光器功率可以得到放大；阵列喷管中各喷管之间的喉部与传统气动激光器喷管一致。
为保证激光器的正常工作，激光器活动部件25的腔体中预填充了工作气体，工作气体可以选用适当配比的二氧化碳、氦气、氮气的混合气，其配比与传统的气体激光器相同。这些气体在激光器活动部件25的往复运动过程中，将会受到左活塞15或右活塞16的交替压缩和抽吸作用，进而在阵列喷管22两侧交替的形成稳定的超声速流场，产生周期性的粒子数反转的激光增益介质，这些增益介质在腔镜组的作用下提取出激光。
图5给出了该激光提取过程的一个完整工作周期，具体说明如下：
图5a中的位置为该活塞运动周期的初始状态，以该状态作为分析的起点。此时，曲柄24和连杆23共线，角度为0度。激光器活动部件25的左活塞15与右活塞16都位于最右端极限位置，活塞运动趋势向右，继续运动后，将对阵列喷管22右侧的气体进行压缩。
如图5b，当曲柄24运动到某个角度，对应着右活塞16运动到相对于阵列喷管22的某个位置，假定该位置右活塞16左端面和阵列喷管中心距离为d，此时阵列喷管22右侧的气体由于受到右活塞16的快速压缩作用，达到了一定的温度和压力，而阵列喷管22左侧的气体由于受到左活塞15的抽吸作用，形成了低温低压的环境，当阵列喷管22左侧和右侧气体的压比达到临界压比时，在阵列喷管22左侧形成稳定的超声速流场，进而实现了阵列喷管22左侧的气流粒子数反转，左侧开始输出激光。
如图5c，随着曲柄24继续转动带动连杆23的运动，激光器活动部件25运动到最左端位置，此时曲柄24和连杆23共线，角度为180度，阵列喷管22右侧完成向左的排气过程。随着曲柄24的继续转动，激光器活动部件25的运动趋势变为向右。
如图5d，当曲柄24运动到某个角度，对应着左活塞15运动到相对于阵列喷管22的某个位置，假定该位置左活塞15右端面和阵列喷管中心距离为d，此时阵列喷管22左侧的气体由于受到左活塞15的快速压缩作用，达到了一定的温度和压力，而阵列喷管22右侧的气体由于受到右活塞16的抽吸作用，形成了低温低压的环境，当阵列喷管22右侧和左侧气体的压比达到临界压比时，在阵列喷管22右侧形成稳定的超声速流场，进而实现了阵列喷管22右侧的气流粒子数反转，右侧开始输出激光。
随着曲柄24的继续运动，曲柄24相对于起始位置旋转了360度，此时曲柄24和连杆23角度再次共线，激光器活动部件25运动到最右端位置，阵列喷管22左侧完成向右的排气过程。随着曲柄24的继续转动，激光器活动部件25的运动趋势变为向左。到此完成了一个完整的循环式气动激光器工作周期，系统位置重新回复到图5a的状态。
气动激光器的出光频率由曲柄的运动周期所决定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (4)

1.一种循环式激光器，由曲柄(24)、连杆(23)、激光器活动部件(25)和激光器固定部件(26)组成；
所述激光器活动部件(25)由左活塞(15)，右活塞(16)、活塞壁(17)组成，形成一个封闭的空腔结构；右活塞(16)和连杆(23)采用活动连接，将曲柄(24)的圆周运动转化为激光器活动部件(25)的直线运动；
所述激光器固定部件(26)由阵列喷管(22)和四块腔镜(18、19、20、21)共同组成，阵列喷管(22)安装在激光器活动部件(25)腔体内，四个腔镜(18、19、20、21)两两相对的安装在激光器活动部件(25)的活塞壁(17)外，在阵列喷管(22)的左右两侧分别提取激光；激光器活动部件(25)腔体内的气体流动方向与两路光路相垂直。
2.如权利要求1所述的一种循环式激光器，其特征在于所述阵列喷管中各喷管的喉部与传统气动激光器喷管一致。
3.如权利要求1所述的一种循环式激光器，其特征在于所述阵列喷管数量越多，激光器功率放大倍数越大。
4.如权利要求1所述的一种循环式激光器，其特征在于所述激光器活动部件(25)的腔体中预填充了工作气体，工作气体为二氧化碳、氦气、氮气的混合气。
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